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编辑推荐

《环境系统分析》是教育部环境科学与工程教学指导委员会副主任、环境工程专业学科认证副主任、全国教学名师、昆明大学环境学院宁平教授的 又一力作，教材紧密结合当前环境发展趋势，强调“系统观”和“模型方法”的融合，也强调了在处理综合的环境科学应用问题的同时不能脱离于具体科学。

内容简介

本书共分为6章，概述了系统分析的原理与方法，详细论述了环境系统的模型化与化，并探讨了环境系统规划与环境系统决策的基本方法。书中列入了较多的算例，每一章都附有习题与思考题，具有较强的知识性和参考价值。
本书可作为高等学校环境科学与工程及相关专业的本科生、研究生教材，也可作为从事环境规划、评价、设计等领域的技术人员、科研人员和管理人员的参考用书。

作者简介

宁平，昆明理工大学环境科学与工程学院，教授博导 教育部环境科学与工程教学指导委员会副主任，宁平，男，工学博士、博士后、教授、博士生导师。现任昆明理工大学环境科学与工程学院院长，国家第三届高等学校教学名师，云南省特聘教授，云南省跨世纪学术技术带头人，国家“百千万人才工程” ，享受国务院特殊津贴。
研究方向
污染控制技术
主持国家863计划、国家发改委高新技术产业化示范、国家基金、云南省重大科技攻关等项目45项，发表学术论文307篇，其中三大检索收录53篇，出版专著、教材12部，获省部级奖7项，国家教学成果一等奖1项，授权专利18项。发明了还原气氛下工业废气催化氧化净化的方法，建立了低温微氧催化氧化净化工业废气理论体系，研发了相应的净化系列技术；研究了CO、CO2的变压吸附分离的定向控制及其化学活化，开发了CO、CO2专用吸附剂、一碳化工合成气专用催化剂、CO、CO2制甲醇专用催化剂等，以及利用工业废气制备一碳化工产品的成套技术和设备。
宁平教授先后主持国家863重点项目、国家发改委高新技术产业化示范项目、国家自然科学基金等40多个项目；发表科研论文300多篇；出版专著教材10余部；获省部级奖项1项、发明专利授权20余项、科技获奖7项……如此丰硕的成果，足以说明宁平在科研方面的卓越成就，尤其是黄磷尾气净化技术，在国际上属于领先水平，这项技术不仅在研究理论方面取得了质的突破，更被广泛运用到实际当中，现已有四川川投化学工业集团有限公司、宣威磷电集团股份有限公司、弥勒磷电集团股份有限公司三家年产达8万吨的企业实施运用，该技术每年为企业创造过亿元的经济效益，以往多被随意排放，腐蚀性极强、又污染环境的废气，经过该技术处理后，让周边的环境得到有效的改善。[

目录

第1章绪论1
1.1环境科学是多原理综合学科1
1.2系统和系统化2
1.2.1系统的含义2
1.2.2复杂问题的有限系统化3
1.2.3系统工程与系统间工程3
1.2.4环境科学问题的系统化3
1.3环境类问题的系统特点4
1.3.1系统的元素和元素的特征4
1.3.2系统的层次4
1.3.3系统的功用和定义方式5
1.3.4环境科学的系统视角6
1.4环境系统的模型化7
1.4.1模型和模型方法7
1.4.2数学模型10
1.4.3环境系统的数学模型分类11
1.5关于规则和模型13
1.5.1规则和模型的多样性13
1.5.2发现规则和建模13
1.5.3建立规则和建模14
1.5.4模型的验证15
1.5.5不确定规则的支配原理16

第2章箱式动力学模型19
2.1几种水环境转化模型19
2.1.1浅海生态系统物质转化模型19
2.1.2环境水体的氧浓度模型21
2.1.3湖泊污染物箱式模型24
2.1.4湖泊多箱体模型25
2.2反应系统动力学模型29
2.2.1化学反应动力学29
2.2.2微生物反应动力学30
2.3灵敏度31
2.4总结32

第3章流体动力学模型35
3.1扩散和传输35
3.1.1分子扩散菲克定律35
3.1.2浓度的扩散方程36
3.1.3物质的传输和扩散37
3.1.4浓度的传输-扩散方程37
3.1.5*关于浓度方程的进一步讨论39
3.2流体的传递42
3.2.1流体的质量衡算方程43
3.2.2以分布和传递的视角观察流体44
3.2.3流体的惯性和惯性的传递46
3.2.4关于动量通量和力47
3.2.5三种动量的传递方式48
3.2.6流体的黏性应力49
3.2.7流体动量传递的一般衡算方程53
3.2.8NavierStokes方程55
3.2.9流体状态55
3.3一维河道的物质的迁移-转化模型56
3.3.1圣维南（Saint-Venant）方程56
3.3.2一维河道的传输-扩散-转化方程58
3.3.3河流模型的应用58
3.4二维浅水湖泊的物质迁移-转化模型60
3.4.1二维浅水方程（Shallow Water Equations）60
3.4.2二维浅水湖泊的传输-扩散模型62
3.4.3算例演示62
3.5大气的三维物质迁移-转化模型64
3.5.1不可压大气模型64
3.5.2包辛涅斯克（Boussinesq）近似65
3.5.3特殊密度气体的运动方程66

第4章对流-扩散-反应方程的有限差分解法69
4.1对流方程的有限差分解法69
4.1.1一维（阶）对流方程的“迎风格式”69
4.1.2*一维（阶）迎风格式收敛性讨论71
4.1.3一维（阶）迎风格式的改进和优化72
4.1.4改进的高维（阶）迎风格式74
4.1.5*改进的高维（阶）迎风格式的收敛性75
4.2扩散方程的有限差分解法76
4.2.1一维扩散定解问题的有限差分格式76
4.2.2*一维扩散定解问题差分格式的收敛性78
4.2.3三维扩散定解问题的有限差分格式81
4.2.4*三维扩散方程差分格式稳定性分析82
4.3反应方程的数值解法83
4.4传输-扩散-反应方程的数值解法85

第5章数学规划87
5.1概述87
5.1.1数学规划概念87
5.1.2数学规划的分类87
5.1.3最小值点、极小值点和驻点88
5.2约束问题求解89
5.2.1约束规划的驻点方程89
5.2.2求驻点方程的牛顿迭代法90
5.2.3一维搜索91
5.2.4最速下降法92
5.2.5共轭梯度法94
5.2.6*搜索相对全局最优解的一种方法97
5.3等式约束问题99
5.3.1等式约束问题及其必要条件99
5.3.2*拉格朗日极值条件的几何解释100
5.4一般规划问题102
5.4.1一般规划问题的松弛变量法102
5.4.2不等式约束规划的逼近算法103
5.4.3混合约束规划的逼近算法108
5.4.4*关于障碍函数法的数学分析110
5.5线性规划115
5.5.1线性规划及其标准形式115
5.5.2线性规划解的结构116
5.5.3线性规划的求解117

第6章环境规划问题122
6.1利用最大熵原理得到粒径分布122
6.1.1问题提出122
6.1.2利用最大熵原理得到分布函数124
6.2平原风电场风机的直线排布问题127
6.2.1问题的提出127
6.2.2阻力和功率128
6.2.3风速的衰减128
6.2.4风机直线排布规划模型129
6.3山地风电场风机选址问题130
6.3.1问题的提出130
6.3.2模型框架133
6.3.3模型细化133
6.3.4模型求解134
6.4单线地铁趟次调度最优化问题136
6.4.1问题的提出136
6.4.2系统特征变量136
6.4.3模型的建立138
6.5大气污染物时间序列监测指标预报问题139
6.5.1问题概述139
6.5.2简单时间序列模型140
6.5.3综合预报模型142
6.5.4模型验证143
6.5.5模型预报146
6.6海水入侵规划问题146
6.6.1问题陈述146
6.6.2渗流方程147
6.6.3海水入侵问题规划模型150
参考文献156

精彩书摘

前言

环境科学是一门高度综合的学科。可以说，在原理上只要涉及生态的演化、物质的迁移、气候的变迁等内容，并在方法和技术上与环境的改善、污染的治理等有关皆可以被纳入环境科学范畴。原理和方法的综合和交叉是环境科学的一大特征。而且多学科的交叉和相互渗透，也使得其子学科——环境工程学变得复杂。
要想在这样一个内涵丰富的学科领域处理科学上或者工程上的具体问题，除了需要根据现实正确选择和利用不同门类学科的知识，有时还必须综合地给出一套不同于以往的解决方案。这意味着，人们不仅首先要精通具体学科的原理和方法，还需要具备系统综合和分析能力。具体地讲，包括生态学、流体力学、化学、化工原理等的具体科学在环境科学以及环境工程学中的地位不可替代，其原理是形成某些对治具体环境污染问题的科学方法论基础，甚至某种程度上这些具体科学已经成为了环境科学或环境工程学分析问题和解决问题的主要支撑；但是，很多时候利用其中单一学科或单一原理其实并不能完全支配某些环境问题，不仅如此，很多环境污染问题或者与此相关的各种现实问题，又与社会科学或经济学之间并非没有现实牵连。所以，在处理环境问题时，我们常常需要更多学科的“会诊”，完成针对问题本身的系统架构；有时为了解决复杂的、综合的环境问题，甚至需要重新建立理论框架——以问题为导向寻找或重新排列矛盾的先后顺序、打理知识脉络。这表明，在环境科学或工程学领域，学科的综合和交叉对研究者提出了更高的要求，也突出了“系统观”和“系统论”的重要性。
如果仅在概念上、观点上强调系统观不免有些空洞，现实工作中完成“系统论”并不容易，不仅要求人们了解具体学科，而且“系统观”还应是一种以问题为导向的综合视角。在面对多学科因素共同影响的复杂问题时，分析问题和解决问题要求人们剔除次要因素，在多学科中筛选决定性原理，并找到学科之间关键的相互联系。有时，人们还需要建立不同以往的知识框架，并与与同类问题之前的某些解决方案有所差异，甚至与某一门现成的具体科学本身的固有知识体系有所差异。
这里说“系统观”是处理复杂交叉学科的具体应用问题的一种先进的思想方法，然而，“系统”应该如何协同？既然环境问题牵扯各种原理和知识，而为了解决复杂问题本身，不论是在知识或信息层面上，需要综合各种信息，形成全新的知识地图，还是在现实层面上，都应找到冗杂关系中的突出矛盾，归纳支配原理。而这，没有数学工具和分析手段则无法做到精致和精准。
随着计算机科学的发展，数学的应用范围逐渐扩大。数学能够在机理上，给出事物变化发展量的关键描述，其建立于人们对事物的深刻认识的基础之上。随着很多领域具体科学步入成熟，以及数学本身和计算机技术的发展，数学的方法被越来越多地应用于各种现代科学的应用领域。
从应用的角度上讲，这里强调“数学模型”而非数学科学本身。“数学模型”一大优势在于其灵活性，特别适用于具体问题具体分析，针对不同的系统内涵和目标可以建立不同的模型。“数学模型”是追求与现实关系原理上相似的知识产品。其不仅已经出现于各种具体先验唯物科学当中，对于新的复杂问题和复杂研究对象，同样需要用量化的手段描述其中已有的关键特征和关系并组织成为人们能够把握的知识产品。数学模型能够帮助人们对复杂问题建立正确的协同，帮助人们进行完整的系统分析。“模型的方法”是“系统观”的基本方法论手段，也是近代交叉科学的关键认识工具。
本书强调“系统观”和“模型方法”的融合，也强调了在处理综合的环境科学应用问题的同时不能脱离于具体科学。
本书共分6章。与其它环境类的书籍略有不同，它并不是按照大气、水环境和固体废弃物的类别划分章节的，为突出模型方法灵活性，本书主要按照环境科学中模型应用的类别划分章节。内容主要涵盖“模型模拟”和“模型优化”，部分章节涉及“模型预报”。这样“与众不同”的安排，并非为标新立异，而是希望此能够更好地成为环境科学同类书籍的辅助，帮助读者在这个较为开放的应用领域全面了解模型化的方法。除了第一章为绪论以外，其余各章被归为两大部分。
第一部分包括第二章到第四章，重点讲述物质的迁移、转化规律，主要涉及流体力学和水环境、大气环境系统模型，基本立足于具体学科。模型属于从具体学科中总结出来的机理模型。突出各类变化和传递现象中的质量、能量和动量守恒律。第四章把三维扩散方程的有限差分方法单独拿出来介绍，独立成章，分门别类便于有需要的读者学习和查阅。第四章中所介绍的常微分方程的求解方法可用于解第二章中的箱式模型。其中第四章中的对流方程的改进差分方法是全新内容。
第五章和第六章为第二部分，主要内容是环境规划（优化）。所涉及模型属于规划模型。这与之前部分所主要介绍的机理模型不同。本书机理模型主要立足于质量、能量和动量守恒律。规划模型求解的是在一定客观条件限制下，达到合理目标下人的（环境）干预对策的最优化。第五章把数学规划的理论和方法单独整理，作为基础内容独立成章，以便读者学习掌握和使用时查找。第六章收集了6个环境规划（优化）的例子，内容涉及颗粒物的粒径分布问题、风机微选址问题、轨道交通运力优化问题、大气污染物的统计预报问题、海水入侵问题等多方面。第六章大部分内容属于原创性工作。第六章与其说是有体系的完备理论，不如说是为不同综合系统问题设计解决方案的一部记录，但又尽可能充分地给出相关具体科学领域的理论或方法，或者相关指引和标注，意在形成一些原理性的沉淀。其实全书也具有这样的特点。
应该强调，环境科学的优化不同于经济优化。环境优化需要全面考虑环境并经济的综合效益。在环境科学中，应该摒弃仅单方面追求经济利益的目标设定，建立模型，而应平衡人为活动对环境的影响，寻求最优或“效用最大化”。
不可避免地，本书内容涉及环境科学和应用数学两个体系。第四章和第五章为本书另一个体系内容，属于环境系统模型需要使用到的应用数学知识和理论。第四章归属于计算数学（数值方法）分支，第五章归属于最优化理论分支。当中出现的定理证明仅就数学命题而言，而现实问题的建模依据于现实规律，两者理论框架属于不同体系。
在环境类书籍中对数学基础理论相关部分的编辑是个难点：其一不能回避，其二不能过深。如果本书回避基础数学理论，让本书仅成为环境科学常用模型的罗列，则根本不能不能满足读者和建模工作者使用的要求，也不能让读者学得求解模型的一般方法。但是如论述不到位，或者将此部分内容穿插到其它章节并仅有所提及，必使读者不能深入理解；数学和其它具体科学有不同的说明和论述规范，不恰当地穿插更容易造成逻辑上的混乱。作为一本学科交叉明显的书籍，本书将建立模型和求解模型分开编辑，将具体应用和基础数学内容分开，各自说明论述，恰恰便于不同学科背景读者的阅读理解和查阅使用。而且，书中已有的模型例子毕竟有限，如遇新问题，读者可以查阅此两章节的数学方法推广应用。
本书可作为环境科学和环境工程学专业《环境科学系统与模型》、《环境系统分析》或者《环境模拟》的高年级本科生或研究生选修课教材，也可以作为数学建模和相关领域的参考用书。书中“*”所标注的部分难度较大，可作为选学内容。
在这里要衷心地感谢北京大学运筹学专家王其文教授对本书第五章部分提出的修改意见。王教授宝贵并且细致的工作让此部分论述更加严谨。还要衷心地感谢上海交通大学数值计算方面的专家严波副教授对本书第四章提出的专业的修改意见。
作者才疏学浅，如有错漏在所难免，望读者多多批评指正！
作 者
2017年6月

前言/序言

环境科学是一门高度综合的学科。可以说，在原理上只要涉及生态的演化、物质的迁移、气候的变迁等内容，并在方法和技术上与环境改善、污染治理等有关的内容皆可以被纳入环境科学范畴。原理和方法的综合和交叉是环境科学的一大特征。而且多学科的交叉和相互渗透，也使得其子学科——环境工程学变得复杂。
要想在这样一个内涵丰富的学科领域处理科学上或者工程上的具体问题，除了需要根据现实情况正确选择和利用不同门类学科的知识，有时还必须综合地给出一套不同于以往的解决方案。这意味着，人们不仅首先要精通具体学科的原理和方法，还需要具备系统综合和分析的能力。比如说，生态学、流体力学、化学、化工原理等的具体科学在环境科学以及环境工程学中的地位突出，其原理是形成某些治理具体环境污染问题的科学方法论基础，甚至某种程度上这些具体科学已经成为了环境科学或环境工程学分析问题和解决问题的主要支撑；但是，很多时候利用其中单一学科或单一原理其实并不能完全支配某些复杂环境问题，不仅如此，很多环境污染问题或者与此相关的各种现实问题，又与社会科学或经济学之间并非没有现实牵连；所以，在处理环境问题时，我们常常需要更多学科的“会诊”，完成针对问题本身的系统架构，有时为了解决复杂的、综合的环境问题，甚至需要重新建立理论框架——以问题为导向寻找或重新排列矛盾的先后顺序、整理知识脉络。这表明，在环境科学或工程学领域，学科的综合和交叉对研究者提出了更高的要求，也突出了“系统观”和“系统论”的重要性。
如果仅在概念上、观点上强调系统观不免有些空洞，现实工作中完成“系统论”并不容易，不仅要求人们了解具体学科，而且“系统观”还应是一种以问题为导向的综合视角。在面对多学科因素共同影响的复杂问题时，为了分析问题和解决问题需要人们剔除次要因素，在多学科中筛选决定性原理，并找到学科之间关键的相互联系。有时，人们还需要建立不同以往的知识框架，并与同类问题之前的某些解决方案有所差异，甚至与某一门现成的具体科学本身的固有知识体系有所差异。
这里说“系统观”是处理复杂交叉学科的具体应用问题的一种先进的思想方法，然而，“系统”应该如何协同？既然环境问题牵扯各种原理和知识，而为了解决复杂问题本身，不论是在知识或信息层面上（需要综合各种信息，形成全新的知识地图），还是在现实层面上，都应找到冗杂关系中的突出矛盾，归纳支配原理。而这，没有数学工具和分析手段则法做到精致和精准。
随着计算机科学的发展，数学的应用范围逐渐扩大。数学能够在机理上给出事物变化发展特征量的关键描述，其建立于人们对事物的深刻认识的基础之上。随着很多领域具体科学步入成熟，以及数学本身和计算机技术的发展，数学的方法被越来越多地应用于各种现代科学的应用领域。
从应用的角度上讲，这里强调“数学模型”而非数学科学本身。“数学模型”的一大优势在于其灵活性，特别适用于具体问题具体分析，针对不同的系统内涵和目标可以建立不同的模型。“数学模型”是追求与现实关系原理上相似的知识产品。其不仅已经出现于各种具体先验唯物科学当中，对于新的复杂问题和复杂研究对象，同样需要用量化的手段描述其中已有的关键特征和关系并组织成为人们能够把握的知识产品，而出现在各种规划应用领域。数学模型能够帮助人们对复杂问题建立正确的协同观念，帮助人们进行完整的系统分析。“模型的方法”是“系统观”的基本方法论手段，也是近代交叉科学的关键认识工具。
本书强调“系统观”和“模型方法”的融合，也强调了在处理综合的环境科学应用问题的同时不能脱离于具体科学。
本书共分6章。与其他环境类的书籍略有不同，它并不是按照大气、水环境和固体废物的类别划分章节的，为突出模型方法灵活性，本书主要按照环境科学中模型应用的类别划分章节。内容主要涵盖“模型模拟”和“模型优化”，部分章节涉及“模型预报”。这样与众不同的

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